第4章 土的渗透性与土中渗流

NanjingUniversityofTechnology本章特点学习要点主要难点•有较严格的理论（水流的一般规律）•有经验性规律（散粒体多孔介质特性）•注重对物理概念和意义的深入理解•注意土是散粒体（多孔介质）这一特点•水头及水力坡降•二维流网及其应用•渗透力及其分析方法NanjingUniversityofTechnology碎散性多孔介质三相体系孔隙流体流动渗流水、气等在土体孔隙中流动的现象渗透性土具有被水、气等流体透过的性质渗透特性强度特性变形特性非饱和土的渗透性饱和土的渗透性能量差土颗粒土中水渗流概述NanjingUniversityofTechnology渗水压力渗流量渗透变形透水层不透水层基坑板桩墙板桩围护下的基坑渗流NanjingUniversityofTechnology渗流量透水层不透水层天然水面水井渗流QNanjingUniversityofTechnology渗流量原地下水位渗流时地下水位渠道渗流NanjingUniversityofTechnology渗流量渗透变形土石坝防渗斜墙及铺盖浸润线透水层不透水层土石坝坝基坝身渗流NanjingUniversityofTechnology水头：单位重量水体所具有的能量。按照伯努里方程，液流中一点的总水头由三部分组成：1.位置水头z2.压力水头u/w3.流速水头v2/2g达西定律一、土的渗透定律——达西定律（H.Darcy,1856）1.渗流中的总水头与水力坡降液体流动必须满足的条件：连续原理能量守恒原理(伯努里D.Bernoulli方程)为了研究的方便，常用水头的概念来研究水体流动中的位能和动能。由于土中渗流阻力大，流速v在一般情况下都很小，可以忽略。NanjingUniversityofTechnology达西定律ABLh1h2zAwAuwBuzBΔh00基准面g2vuzh2w总水头－单位重量水体所具有的能量wuzhwAA1uzhA点总水头：wBB2uzhB点总水头：12hhh水头差：Lhi水力坡降：NanjingUniversityofTechnology伯努里方程用于土中渗流时有两点需要指出：(1)饱和土体中两点间是否出现渗流，完全由总水头差决定。只有当两点间的总水头差存在时，才会发生水从总水头高的点向总水头低的点流动。(2)由于土中渗流阻力大，故流速v在一般情况下都很小，因而形成的流速水头也很小，为简便起见可以忽略。水力坡降由于渗流过程中存在能量损失，测管水头线沿渗流方向下降。两点间的水头损失，可用一无量纲的形式来表示，即i=h/Li称为水力坡降，L为两点间的渗流路径，水力坡降的物理意义:单位渗流长度上的水头损失。NanjingUniversityofTechnology2.达西定律达西根据对不同尺寸的圆筒和不同类型及长度的土样所进行的试验发现，渗出量Q与圆筒断面积A和水力坡降i成正比，且与土的透水性质有关。即LhAQkAiQkiAQv写成等式为：上式称为达西定律。式中，v－断面平均渗透速度，单位mm/s或m/day；k－反映土的透水性能的比例系数，称为土的渗透系数。它相当于水力坡降i＝1时的渗透速度，故其量纲与流速相同，mm/s或m/day。NanjingUniversityofTechnology渗透流速v并不是土孔隙中水的实际平均流速。因为公式推导中采用的是土样的整个断面积，其中包括了土粒骨架所占的部分面积在内。土粒本身是不能透水的，故真实的过水面积Av应小于A，从而实际平均流速应大于v。一般称v为假想渗流速度v与vs的关系可通过水流连续原理建立:Vs=v/n为了研究的方便，渗流计算中均采用假想的平均流速。渗透速度与实际平均流速vAnANanjingUniversityofTechnology达西定律的适用范围层流（线性流）岩土工程中的绝大多数渗流问题，包括砂土或一般粘土，均属层流范围在粗粒土孔隙中，水流形态可能会随流速增大呈紊流状态，渗流不再服从达西定律。可用雷诺数Re进行判断：Re＜5时层流Re＞200时紊流200＞Re＞5时为过渡区10evdRNanjingUniversityofTechnology（1）粗粒土：①砾石类土中的渗流常不符合达西定律②砂土中渗透速度vcr=0.3-0.5cm/sivovcrivoi0两种特例：（2）粘性土：致密的粘土ii0,v=k(i-i0)(1)mvkimNanjingUniversityofTechnology3.渗透系数的测定和影响因素渗透系数k是一个代表土的渗透性强弱的定量指标，也是渗流计算时必须用到的一个基本参数。不同种类的土，k值差别很大。因此，准确地测定土的渗透系数是一项十分重要的工作。(1)渗透系数的测定方法渗透系数的测定方法主要分实验室内测定和野外现场测定两大类。实验室测定法目前在实验室中测定渗透系数k的试验方法很多，但从试验原理上大体可分为常水头法和变水头法两种。现场测定法现场研究场地的渗透性，进行渗透系数k值测定时，常用现场并孔抽水试验或井孔注水试验的方法。NanjingUniversityofTechnology常水头试验适用于测定透水性大的砂性土的渗透系数。结果整理试验装置：如图试验条件:Δh，A，L=const量测变量:V，ti=Δh/LV=Qt=vAtv=kihtAVLk适用土类：透水性较大的砂性土hL土样AVQNanjingUniversityofTechnology变水头试验适用于测定渗透性很小的粘性土的渗透系数。由于粘性土的渗透水量很少，用常水头试验不易准确测定。土样At=t1h1t=t2h2LQ水头测管开关a试验装置：如图试验条件:Δh变化，A，L=const量测变量:Δh，tNanjingUniversityofTechnology变水头试验法理论依据:t时刻：ΔhdtdhdVe=-adhdVo=kiAdt=k(Δh/L)AdtdVe=dVo流入量：流出量：连续性条件：-adh=k(Δh/L)AdthdhkAaLdt21th0haLdhdkAh21hhlnkAaLt21hhlnAtaLk土样At=t1h1t=t2h2LQ水头测管开关ahdhtt+dt结果整理:选择几组Δh1,Δh2,t，计算相应的k，取平均值NanjingUniversityofTechnology•野外测定方法－抽水试验和注水试验法优点：可获得现场较为可靠的平均渗透系数地下水位≈测压管水面井抽水量Qr1rr2dhdrh1hh2不透水层观察井A=2πrhi=dh/drdrdhkrh2AkiQkhdh2rdrQ)hh(krrlnQ212212212212hh)r/rln(Qk缺点：费用较高，耗时较长理论依据：积分NanjingUniversityofTechnology影响渗透系数的因素1.土的性质对k值的影响(1)粒径大小与级配；(2)孔隙比；(3)矿物成分；(4)土的结构；(5)饱和度。尤以前两项，即粒径大小和孔隙比对k的影响最大。2.渗透水的性质对k值的影响水的性质对渗透系数k值的影响主要是由于粘滞度不同所引起。温度高时，水的粘滞性降低，k值变大：反之k值变小。NanjingUniversityofTechnology粒径大小及级配：是土中孔隙直径大小的主要影响因素；因由粗颗粒形成的大孔隙可被细颗粒充填，故土体孔隙的大小一般由细颗粒所控制。（1）土粒特性的影响孔隙比：是单位土体中孔隙体积的直接度量；对于砂性土，渗透系数k一般随孔隙比e增大而增大。矿物成分：对粘性土，影响颗粒的表面力；不同粘土矿物之间渗透系数相差极大，其渗透性大小的次序为高岭石伊里石蒙脱石；塑性指数Ip综合反映土的颗粒大小和矿物成份，常是渗透系数的参数。结构：影响孔隙的构成和方向性，对粘性土影响更大；在宏观构造上，天然沉积层状粘性土层，常使得k水平﹥k垂直；在微观结构上，当孔隙比相同时，凝聚结构将比分散结构具有更大的透水性。NanjingUniversityofTechnology饱和度sr(%)渗透系数k(10-3cm/s)87654328090100饱和度的影响流体粘滞性的影响温度高粘滞性低渗透系数大封闭气泡对k影响很大，可减少有效渗透面积，还可以堵塞孔隙的通道（2）流体特性的影响NanjingUniversityofTechnology土的渗透系数范围土的类型渗透系数k(cm/s)砾石、粗砂a×10-1~a×10-2中砂a×10-2~a×10-3细砂、粉砂a×10-3~a×10-4粉土a×10-4~a×10-6粉质粘土a×10-6~a×10-7粘土a×10-7~a×10-10NanjingUniversityofTechnology层状地基的等效渗透系数大多数天然沉积土层是由渗透系数不同的层土所组成，宏观上具有非均质性。等效方法：等效厚度等于各土层之和。等效渗透系数的大小与水流的方向有关。层状土层单一土层NanjingUniversityofTechnology(一)水平向渗流水平渗流的特点：(1)各层土中的水力坡降i＝(h/L)与等效土层的平均水力坡降i相同。(2)垂直x-z面取单位宽度，通过等效土层H的总渗流量等于各层土渗流量之和，即niixxxxxqqqqq1321将达西定律代入上式可得沿水平方向的等效渗透系数kx：iniixHkHk11NanjingUniversityofTechnology(二)竖直向渗流竖直渗流的特点：(1)根据水流连续原理，流经各土层的流速与流经等效土层的流量相同，即(2)流经等效土层H的总水头损失h等于各层上的水头损失之和，即将达西定律代入上式可得沿竖直方向的等效渗透系数kz：qqqq321niihhhhh1321niiizkHHk1NanjingUniversityofTechnology渗透力和渗透变形(一)渗透力实验验证当h1＝h2时，土中水处于静止状态，无渗流发生，贮水器向上提升，使h1＞h2，由于存在水头差．土中产生向上的渗流。水头差h是土体中渗流所损失的能量。能量损失说明土粒对水流给以阻力；反之．渗流必然对每个土颗粒有推动、摩擦和拖曳的作用力，称之为渗透力，可定义为每单位土体内土颗粒所受的渗流作用力，用j表示。NanjingUniversityofTechnology取土—水为整体作为隔离体，则作用在土柱上的力：(1)土—水总重量W＝satL；(2)土柱两端的边界水压力whw和wh1；(3)土柱下部滤网的支承反力R。在此种条件下，土粒与水之间的作用力为内力，在土柱的受力分析中不出现。方法一水、土受力分析NanjingUniversityofTechnology把土骨架和水分开来取隔离体。作用在土骨架隔离体上的力：(1)土粒有效重量W’＝’L；(2)总渗透力J＝jL,方向竖直向上；(3)下部支承反力R。方法二作用在孔隙水隔离体上的力：(1)孔隙水重量和土粒浮力的反力之和。Ww＝Vvw+VSw＝wL(2)土柱两端的边界水压力whw和wh1；(3)土柱内土粒对水流的阻力，其大小应和渗透力相等，方向相反。则总阻力J’＝j’L。水、土受力分析NanjingUniversityofTechnology考虑水体隔离体的平衡条件，可得：iLhLLhhjhLjLhhJwh)(11'1'故渗透力j=j’=wi渗透力是一种体积力，量纲与w相同。渗透力的大小和水力坡降成正比，其方向与渗流方向一致。渗透力的计算用土—水整体隔离体推导临界水力坡降？NanjingUniversityofTechnologyh1Δhh200hwL土样滤网贮水器abP2WP1RA=1R=γL－γwΔh渗流中的土体所受滤网支持力向上渗流存在时，滤网支持力减少i=Δh/L=γ/γwγL